JP6635052B2 - Structured illumination microscope and observation method - Google Patents
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Description
本発明は、構造化照明顕微鏡、観察方法、及び制御プログラムに関する。 The present invention relates to a structured illumination microscope, an observation method, and a control program.
顕微鏡装置において、光学系の分解能を越えた観察を可能とする超解像顕微鏡がある。この超解像顕微鏡の一形態として、構造化照明により標本を照明して変調画像を取得し、その変調画像を復調することにより、標本の超解像画像を生成する構造化照明顕微鏡(SIM:Structured Illumination Microscopy)が知られている(例えば、特許文献1を参照)。この手法においては、光源から射出された光束を回折格子等により複数の光束に分岐し、それらの光束を標本の近傍で互いに干渉させることで形成された干渉縞で標本を照明することにより、標本の変調画像を取得している。 2. Description of the Related Art Among microscope devices, there is a super-resolution microscope that enables observation beyond the resolution of an optical system. As one form of this super-resolution microscope, a structured illumination microscope (SIM :) that illuminates a sample with structured illumination to obtain a modulated image, and demodulates the modulated image to generate a super-resolution image of the sample. Structured Illumination Microscopy) is known (for example, see Patent Document 1). In this method, a light beam emitted from a light source is split into a plurality of light beams by a diffraction grating or the like, and the sample is illuminated with interference fringes formed by causing the light beams to interfere with each other in the vicinity of the sample. Are obtained.
ところで、構造化照明顕微鏡において撮像された変調像には、焦点深度内の領域からの光(信号)および焦点深度外の領域からの光が含まれている。焦点深度外の領域のからの光による画像成分が持つ構造化照明のコントラストは低いので、試料の厚みが結像光学系の焦点深度を超えて厚くなるほど、撮影画像中における構造化照明のコントラストが減少し、例えば撮像素子のデバイス特性によっては、復調に使われる信号のレベルを確保することが難しくなる。本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであり、結像光学系の焦点深度を超える厚みの試料に対して超解像画像を生成できる構造化照明顕微鏡、観察方法、及び制御プログラムを提供することを目的とする。 Incidentally, the modulated image captured by the structured illumination microscope includes light (signal) from a region within the depth of focus and light from a region outside the depth of focus. Since the contrast of the structured illumination of the image component due to light from an area outside the depth of focus is low, the contrast of the structured illumination in the captured image increases as the thickness of the sample exceeds the depth of focus of the imaging optical system. For example, depending on the device characteristics of the image sensor, it becomes difficult to secure the level of the signal used for demodulation. The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a structured illumination microscope, an observation method, and a control program capable of generating a super-resolution image for a sample having a thickness exceeding the depth of focus of an imaging optical system. The purpose is to do.
本発明の態様に従えば、試料に含まれた蛍光物質を活性化するための活性化光を、試料に第1方向から照射する第1照明光学系と、対物レンズを有し、第1方向と異なる第2方向から、蛍光物質を励起するための励起光を、対物レンズを介して干渉縞で試料に照射する第2照明光学系と、干渉縞の方向および位相を制御する制御部と、対物レンズを有し、干渉縞が照射された試料の像を形成する結像光学系と、結像光学系が形成した像を撮像して画像を生成する撮像素子と、撮像素子により生成された複数の画像を用いて、試料の画像を生成する復調部と、を備え、第2照明光学系は、励起光を回折により複数の回折光に分岐する分岐部と、複数の回折光のうち、+1次回折光または−1次回折光の通過状態と遮断状態とを切り替え可能な遮光部と、を備える、ことを特徴とする構造化照明顕微鏡が提供される。
また、本発明の態様に従えば、試料に含まれた蛍光物質を活性化するための活性化光を、試料に第1方向から照射することと、対物レンズを有する第2照明光学系によって、第1方向と異なる第2方向から、蛍光物質を励起するための励起光を、対物レンズを介して干渉縞で試料に照射することと、干渉縞の方向および位相を制御することと、対物レンズを有する結像光学系によって、干渉縞が照射された試料の像を形成することと、像を撮像して画像を生成することと、撮像により生成された複数の画像を用いて、試料の画像を生成することと、第2照明光学系によって、励起光を回折により複数の回折光に分岐し、複数の回折光のうち、+1次回折光または−1次回折光の通過状態と遮断状態とを切り替えることと、を含むことを特徴とする観察方法が提供される。
本発明の態様に従えば、試料に含まれた蛍光物質を活性化するための活性化光を、試料に第1方向から照射する第1照明光学系と、対物レンズを有し、第1方向と異なる第2方向から、蛍光物質を励起するための励起光を、対物レンズを介して干渉縞で試料に照射する第2照明光学系と、干渉縞の方向および位相を制御する制御部と、対物レンズを有し、干渉縞が照射された試料の像を形成する結像光学系と、結像光学系が形成した像を撮像して画像を生成する撮像素子と、撮像素子により生成された複数の画像を用いて、試料の画像を生成する復調部と、を備えることを特徴とする構造化照明顕微鏡が提供される。
本発明の態様に従えば、試料に含まれた蛍光物質を活性化するための活性化光を、試料に第1方向から照射することと、対物レンズを有する第2照明光学系によって、第1方向と異なる第2方向から、蛍光物質を励起するための励起光を、対物レンズを介して干渉縞で試料に照射することと、干渉縞の方向および位相を制御することと、対物レンズを有する結像光学系によって、干渉縞が照射された試料の像を形成することと、像を撮像して画像を生成することと、撮像により生成された複数の画像を用いて、試料の画像を生成することと、を含むことを特徴とする観察方法が提供される。
本発明の態様に従えば、コンピュータに、試料に含まれた蛍光物質を活性化するための活性化光を、試料に第1方向から照射することと、対物レンズを有する第2照明光学系によって、第1方向と異なる第2方向から、蛍光物質を励起するための励起光を、対物レンズを介して干渉縞で試料に照射することと、干渉縞の方向および位相を制御することと、対物レンズを有する結像光学系によって、干渉縞が照射された試料の像を形成することと、像を撮像して画像を生成することと、撮像により生成された複数の画像を用いて、試料の画像を生成することと、を実行させることを特徴とする制御プログラムが提供される。
本発明の第1の態様に従えば、試料に含まれた蛍光物質を活性化するための活性化光を、試料に第1方向から照射する第1照明光学系と、第1方向と異なる第2方向から、蛍光物質を励起するための励起光を試料に照射し、励起光の干渉縞で試料を照明する第2照明光学系と、干渉縞の方向および位相を制御する制御部と、干渉縞が照射された試料の像を形成する結像光学系と、結像光学系が形成した像を撮像して第1画像を生成する撮像素子と、撮像素子により生成された複数の第1画像を用いて、第2画像を生成する復調部と、を備えることを特徴とする構造化照明顕微鏡が提供される。
According to an aspect of the present invention, there is provided a first illumination optical system for irradiating a sample with activation light for activating a fluorescent substance contained in a sample from a first direction, and an objective lens. A second illumination optical system that irradiates the sample with excitation light for exciting the fluorescent substance from the second direction through the objective lens with interference fringes, a control unit that controls the direction and phase of the interference fringes, An imaging optical system having an objective lens and forming an image of the sample irradiated with the interference fringes; an imaging device for capturing an image formed by the imaging optical system to generate an image; and an imaging device generated by the imaging device. Using a plurality of images, a demodulation unit that generates an image of the sample, comprising: a second illumination optical system, a branching unit that branches the excitation light into a plurality of diffracted lights by diffraction, of the plurality of diffracted lights, A shield capable of switching between a passing state and a blocking state of the + 1st-order or -1st-order diffracted light. Comprising a part, and is structured illumination microscope, wherein provided that.
Further, according to an aspect of the present invention, by irradiating the sample with activation light for activating a fluorescent substance contained in the sample from a first direction, and by using a second illumination optical system having an objective lens, Irradiating the sample with excitation light for exciting the fluorescent substance from the second direction different from the first direction with the interference fringes through the objective lens, controlling the direction and phase of the interference fringes, Forming an image of a sample irradiated with interference fringes by using an imaging optical system having an image, capturing an image to generate an image, and using a plurality of images generated by the imaging to image the sample. And, by the second illumination optical system, the excitation light is split into a plurality of diffracted lights by diffraction, and among the plurality of diffracted lights, the + 1st-order diffracted light or the −1st-order diffracted light is switched between a passing state and a blocking state And including Observation method is provided that.
According to an aspect of the present invention, there is provided a first illumination optical system for irradiating a sample with activation light for activating a fluorescent substance contained in a sample from a first direction, and an objective lens. A second illumination optical system that irradiates the sample with excitation light for exciting the fluorescent substance from the second direction through the objective lens with interference fringes, a control unit that controls the direction and phase of the interference fringes, An imaging optical system having an objective lens and forming an image of the sample irradiated with the interference fringes; an imaging device for capturing an image formed by the imaging optical system to generate an image; and an imaging device generated by the imaging device. There is provided a structured illumination microscope comprising: a demodulation unit that generates an image of a sample using a plurality of images.
According to the aspect of the present invention, the sample is irradiated with activating light for activating the fluorescent substance contained in the sample from the first direction, and the first illumination optical system having the objective lens is used for the first illumination. Irradiating the sample with excitation light for exciting the fluorescent substance from the second direction different from the direction through the objective lens with interference fringes, controlling the direction and phase of the interference fringes, and having the objective lens Forming an image of a sample irradiated with interference fringes by an imaging optical system, capturing an image to generate an image, and generating an image of the sample using a plurality of images generated by the imaging And providing an observation method.
According to an aspect of the present invention, the computer irradiates the sample with the activating light for activating the fluorescent substance contained in the sample from the first direction, and uses the second illumination optical system having the objective lens. Irradiating a sample with excitation light for exciting a fluorescent substance from a second direction different from the first direction through an objective lens with interference fringes, controlling the direction and phase of the interference fringes, An imaging optical system having a lens forms an image of a sample irradiated with interference fringes, captures an image to generate an image, and uses a plurality of images generated by the imaging to form a sample. There is provided a control program for generating an image and causing the program to execute.
According to the first aspect of the present invention, a first illumination optical system that irradiates a sample with activation light for activating a fluorescent substance included in a sample from a first direction, and a first illumination optical system that is different from the first direction. A second illumination optical system that irradiates the sample with excitation light for exciting the fluorescent substance from two directions and illuminates the sample with interference fringes of the excitation light, a control unit that controls the direction and phase of the interference fringes, An imaging optical system that forms an image of a sample irradiated with fringes, an imaging element that captures an image formed by the imaging optical system to generate a first image, and a plurality of first images generated by the imaging element And a demodulation unit for generating a second image by using the structure illumination microscope.
本発明の第2の態様に従えば、試料に含まれた蛍光物質を活性化するための活性化光を、試料に第1方向から照射することと、第1方向と異なる第2方向から、蛍光物質を励起するための励起光を、干渉縞で試料に照射することと、干渉縞の方向および位相を制御することと、干渉縞が照射された試料の像を形成することと、像を撮像して第1画像を生成することと、撮像により生成された複数の第1画像を用いて、第2画像を生成することと、を含むことを特徴とする観察方法が提供される。 According to the second aspect of the present invention, irradiating the sample with activation light for activating the fluorescent substance contained in the sample from a first direction, and activating light from a second direction different from the first direction, Irradiating the sample with the excitation light for exciting the fluorescent substance with interference fringes, controlling the direction and phase of the interference fringes, forming an image of the sample irradiated with the interference fringes, An observation method is provided, which includes imaging to generate a first image, and generating a second image using a plurality of first images generated by the imaging.
本発明の第3の態様に従えば、コンピュータに、試料に含まれた蛍光物質を活性化するための活性化光を、試料に第1方向から照射することと、第1方向と異なる第2方向から、蛍光物質を励起するための励起光を、干渉縞で試料に照射することと、干渉縞の方向および位相を制御することと、干渉縞が照射された試料の像を形成することと、像を撮像して第1画像を生成することと、撮像により生成された複数の第1画像を用いて、第2画像を生成することと、を実行させることを特徴とする制御プログラムが提供される。 According to a third aspect of the present invention, the computer irradiates the sample with the activation light for activating the fluorescent substance contained in the sample from the first direction, and irradiates the computer with the second light different from the first direction. Irradiating the sample with excitation light for exciting the fluorescent substance from the direction with interference fringes, controlling the direction and phase of the interference fringes, and forming an image of the sample irradiated with the interference fringes. And generating a first image by capturing an image, and generating a second image by using a plurality of first images generated by the capturing. Is done.
本発明によれば、結像光学系の焦点深度を超える厚みの試料に対して超解像画像を生成できる構造化照明顕微鏡、観察方法、及び制御プログラムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a structured illumination microscope, an observation method, and a control program capable of generating a super-resolution image for a sample having a thickness exceeding the depth of focus of the imaging optical system.
[第1実施形態]
図1は、本実施形態に係る構造化照明顕微鏡1(観察システム)を示す図である。構造化照明顕微鏡1は、蛍光色素(蛍光物質)で染色された試料Sの観察に使われる。試料Sは、例えば、平行平板状のガラス表面に配置された蛍光性の細胞(蛍光色素で染色された細胞)や、シャーレ内に存在する蛍光性の生体細胞(蛍光色素で染色された動く細胞)などの細胞である。[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram showing a structured illumination microscope 1 (observation system) according to the present embodiment. The structured
試料Sに含まれる蛍光色素は、活性化光を受けて活性化され、活性化状態で励起光を受けて蛍光を発する。また、この蛍光色素は、活性化された状態で不活性化光を受けると、蛍光を発して不活性化状態になる。不活性化光の波長は、例えば励起光の波長と同じでよい。このような蛍光色素としては、例えば、2種類のシアニン染料を結合させた染料対(例、Cy3−Cy5染料対、Cy2−Cy5染料対、Cy3−Alexa647染料対など)がある。例えばCy3−Cy5染料対ではCy3がCy5を活性化させる部位となっており、532nmの緑色光を照射することでCy5が活性化される。また、Cy5の吸収波長に対応する640nmの赤色光を照射すると、Cy5が蛍光を放って不活性化する。 The fluorescent dye contained in the sample S is activated upon receiving the activation light, and emits fluorescence upon receiving the excitation light in the activated state. When the fluorescent dye receives an inactivating light in an activated state, it emits fluorescence to be in an inactivated state. The wavelength of the deactivating light may be the same as the wavelength of the excitation light, for example. Such fluorescent dyes include, for example, dye pairs in which two types of cyanine dyes are bonded (eg, Cy3-Cy5 dye pairs, Cy2-Cy5 dye pairs, Cy3-Alexa647 dye pairs, and the like). For example, in the Cy3-Cy5 dye pair, Cy3 is a site that activates Cy5, and Cy5 is activated by irradiating green light of 532 nm. When red light of 640 nm corresponding to the absorption wavelength of Cy5 is irradiated, Cy5 emits fluorescence and is inactivated.
構造化照明顕微鏡1は、試料Sの厚さ方向の一部の二次元的な超解像画像を生成する2D−SIMモードを有する。構造化照明顕微鏡1は、ステージ2、活性化照明部3、励起照明部4、撮像部5、復調部6、及び制御部7を備える。構造化照明顕微鏡1は、概略すると以下のように動作する。ステージ2は、試料Sを保持する。活性化照明部3は、試料Sにシート状の活性化光を照射する。活性化照明部3は、試料Sの厚み方向の一部を選択的に活性化し、試料Sの他の部分を不活性な状態に維持する。励起照明部4は、励起光で干渉縞を形成する。励起照明部4は、活性化照明部3の光照射方向に垂直な方向から、試料Sのうち活性化された部分を干渉縞で照明する。撮像部5は、干渉縞で変調された試料Sの変調像を撮像する。復調部6は、撮像部5が撮像した変調像を復調し、試料Sの像(超解像画像)を生成する。制御部7は、構造化照明顕微鏡1の各部を制御し、各種処理を実行させる。
The structured
次に、構造化照明顕微鏡1の各部について説明する。以下の説明において、活性化照明部3が試料に光を照射する第1方向(光照射方向)をX方向とする。また、励起照明部4が試料Sに光を照射する第2方向(光照射方向)をZ方向とする。また、X方向およびZ方向のそれぞれに垂直な第3方向をY方向とする。X方向およびY方向は、例えば水平方向に設定され、Z方向は、例えば鉛直方向に設定される。なお、各方向に+または−を付して、適宜、方向および向きを表す。
Next, each part of the structured
ステージ2は、その上面に試料Sを載置可能である。ステージ2は、上面に試料Sが載置された状態で、上面をZ方向に移動可能である。ステージ2は、制御部7に制御され、上面のZ方向の位置を調整可能である。制御部7は、ステージ2を制御することで、上面に配置されている試料SのZ方向の位置(高さ)を制御できる。なお、ステージ2は、X方向とY方向の少なくとも1方向に試料Sを移動可能であってもよいし、Z方向に試料Sを移動しなくてもよい。
The
活性化照明部3は、光源部10、及び第1照明光学系11を備える。光源部10は、制御部7に制御され、活性化光を発する。活性化光は、所定の蛍光物質(蛍光色素)を活性化する第1波長帯の光を含む。光源部10は、例えばレーザーダイオード(LD)を含むが、発光ダイオード(LED)を含んでいてもよい。光源部10は、活性化光としてコヒーレント光とインコヒーレント光のいずれを発してもよい。光源部10は、活性化光として直線偏光、楕円偏光、無偏光のいずれを発してもよい。なお、構造化照明顕微鏡1は、光源部10を備えていなくてもよい。例えば、光源部10は、構造化照明顕微鏡1に交換可能(取り外し可能)に設けられ、構造化照明顕微鏡1の外部の装置であってもよい。
The
第1照明光学系11は、光源部10からの活性化光を試料Sへ導く。本実施形態において、活性化照明部3の光照射方向がX方向となるように、第1照明光学系11の光軸AX1が設定されている。第1照明光学系11は、光源部10の光出射側に、集光レンズ12、光ファイバ13、コリメータレンズ14、シリンドリカルレンズ15、スリット16、及びレンズ群17を備える。
The first illumination
集光レンズ12は、光源部10からの活性化光を、光ファイバ13の入射端面に収まるように集光する。光ファイバ13は、入射端面に入射した光を出射端面に導く導光部材である。コリメータレンズ14は、光ファイバ13の出射端面から出射した活性化光を平行化する。シリンドリカルレンズ15は、XZ平面における屈折力(パワー)がXY平面における屈折力よりも強い光学部材である。コリメータレンズ14およびシリンドリカルレンズ15は、試料S(活性化照明部3の照明領域)における活性化光の断面形状を、Y方向とZ方向のうちZ方向を短手方向とする形状に成形する。
The condensing
スリット16は、視野絞り(絞り部材)であり、活性化照明部3の照明領域と光学的に共役な位置に配置されている。スリット16は、光源部10からの活性化光の少なくとも一部が通る開口部を有する。開口部の形状は、Z方向の寸法がY方向の寸法よりも短い形状に設定され、例えばZ方向に平行な短辺を有する矩形状である。スリット16の開口率は、固定値であってもよいし、可変値であってもよい。例えば、スリット16の開口部の形状と寸法の少なくとも一方は、可変であってもよい。例えば、スリット16の開口部は、Y方向とZ方向の少なくとも一方において内寸が可変なものであってもよい。
The
レンズ群17は、例えば投影光学系であり、スリット16の開口部の像を活性化照明部3の照明領域に投影する。スリット16の開口部を通った活性化光は、レンズ群17を介して試料Sに照射される。第1照明光学系11の光出射側(例、レンズ群17)の開口数(NA)を小さくしておくことで、第1照明光学系11から出射する際の活性化光の広がり角を小さくすることができる。その結果、試料Sにおいて活性化光の厚み(光路のZ方向の幅)の変化を減らすことができる。
The
このように、活性化照明部3は、試料SのうちZ方向の一部に活性化光を照射し、試料Sのうちシート状の部分を選択的に活性化できる。活性化されたシート状の部分を、以下の説明において活性化層という。
As described above, the
本実施形態において、構造化照明顕微鏡1は、不活性化照明部20を備える。不活性化照明部20は、活性化光により活性化された蛍光色素を不活性化する不活性化光を、試料Sに照射する。不活性化照明部20は、光源部21、ミラー22、ダイクロイックミラー23、及び第1照明光学系11を備える。光源部21は、所定の蛍光色素を活性化された状態から不活性な状態へ遷移させる第2波長帯の光を含む不活性化光を発する。
In the present embodiment, the structured
光源部21から出射した不活性化光は、ミラー22で反射し、ダイクロイックミラー23に入射する。ミラー22およびダイクロイックミラー23は、光源部21から出射した不活性化光を第1照明光学系11へ導く導光部である。ダイクロイックミラー23は、光源部10と集光レンズ12との間の光路に配置されている。ダイクロイックミラー23は、その内部に波長選択膜を有する。この波長選択膜は、光源部10からの活性化光が透過し、光源部21からの不活性化光が反射する特性を有する。ダイクロイックミラー23に入射した不活性化光は、波長選択膜で反射し、光源部10からの活性化光とほぼ同じ光路を通って、第1照明光学系11に入射する。第1照明光学系11に入射した不活性化光は、活性化光と同様に、シート状に成形されて試料Sに照射される。なお、構造化照明顕微鏡1は、光源部21を備えていなくてもよい。例えば、光源部21は、構造化照明顕微鏡1に交換可能(取り外し可能)に設けられ、構造化照明顕微鏡1の外部の装置であってもよい。
The deactivating light emitted from the
本実施形態において、不活性化照明部20が不活性化光を照射する範囲(以下、不活性化照明部20の照明領域という)は、活性化照明部3が活性化光を照射する範囲(以下、活性化照明部3の照領域という)とほぼ一致する。不活性化照明部20の照明領域は、活性化照明部3の照明領域よりも広域に設定されていてもよい。例えば、第1照明光学系11のスリット16の開口部が可変である場合、スリット16の開口幅(例、Z方向の内径)は、第1照明光学系11を不活性化光が通る際に、第1照明光学系11を活性化光が通る際よりも大きく設定されてもよい。この場合、試料Sにおいて活性化された部分に不活性化されない部分が残ることを抑制できる。なお、制御部7は、スリット16の開口部を駆動する駆動部(図示せず)を制御し、スリット16の開口率を制御してもよい。
In the present embodiment, the range in which the inactivating
励起照明部4は、励起光で形成される干渉縞で試料を照明する。励起照明部4は、光源部30、及び第2照明光学系31を備える。光源部30は、制御部7に制御され、励起光を発する。励起光は、所定の蛍光色素を励起する波長帯の光を含み、例えば不活性化光と同じ波長の光を含む。光源部30は、例えばレーザーダイオード(LD)などを含み、励起光としてコヒーレント光を発してもいいし、あるいは、発光ダイオード(LED)などを含み、励起光としてインコヒーレント光を発してもよい。ここでは、光源部30は、活性化光として直線偏光を発する。なお、構造化照明顕微鏡1は、光源部30を備えていなくてもよい。例えば、光源部30は、構造化照明顕微鏡1に交換可能(取り外し可能)に設けられ、構造化照明顕微鏡1の外部の装置であってもよい。
The excitation illumination section 4 illuminates the sample with interference fringes formed by the excitation light. The excitation illumination unit 4 includes a
第2照明光学系31は、対物レンズ32を介して励起光を試料Sに照射し、試料Sを落射照明する。対物レンズ32の光軸(第2照明光学系31の光出射側の光軸)は、Z方向に設定されている。第2照明光学系31の光軸AX2は、対物レンズ32よりも光源部30側においてダイクロイックミラー33により折り曲げられている。第2照明光学系31の光軸AX2は、ダイクロイックミラー33よりも光源部30側の光路において任意に設定され、例えばXY平面と平行な方向に設定される。
The second illumination
第2照明光学系31は、光源部30の光出射側に、集光レンズ35、光ファイバ36、及びコレクタレンズ37を備える。集光レンズ35は、光源部30からの励起光を、光ファイバ36の入射端面に収まるように集光する。光ファイバ36は、入射端面に入射した光を出射端面に導く導光部材である。光ファイバ36は、例えば、偏波面保存型のシングルモードファイバであり、励起光の偏光状態をほぼ変化させないで、励起光を導く。光ファイバ36から出射する励起光は、例えば、Z方向の直線偏光である。コレクタレンズ37は、光ファイバ36の出射端面から出射した励起光を平行化する。
The second illumination
第2照明光学系31は、コレクタレンズ37の光出射側に、偏光板38、回折格子39、1/2波長板40、及びレンズ41を備える。本実施形態において、第2照明光学系31の光軸AX2は、コレクタレンズ37からダイクロイックミラー33に至る光路において、X方向と平行に設定されている。偏光板38は、その透過軸に平行な直線偏光を通し、透過軸に垂直な直線偏光を遮断(遮光)する。偏光板38は、例えば、その透過軸がZ方向と平行に設定され、励起光のうち偏光状態が乱れた成分や、偏光板38よりも光源部30側からの迷光などを遮断する。
The second illumination
回折格子39は、光源部30からの励起光を分岐する分岐部である。回折格子39は、励起光を回折により、複数の光束に分岐する。本実施形態において、第2照明光学系31は、回折格子39で発生する+1次回折光と−1次回折光との2光束干渉により、標本中で干渉縞を生成する。図1には、0次回折光を実線で示し、+1次回折光を鎖線、−1次回折光を2点鎖線で示した。
The
回折格子39は、例えば1次元の周期構造を持つものである。この周期構造は、濃度(透過率)が周期的に変化する構造であってもよいし、段差(位相差)が周期的に変化する構造であってもよい。回折格子39が位相型である場合、±1次回折光の回折効率が高く、干渉縞の形成に±1次回折光を用いる場合に光のロスをへらすことができる。なお、試料Sに形成される干渉縞の周期は、撮像部5の結像光学系55(後述する)の解像限界よりわずかに小さい周期とするとよい。干渉縞の空間変調周波数を結像光学系55で形成できる限界にできるだけ近づけることで、復調処理により得られる試料像の解像度をより高めることができる。
The
ところで、2D−SIMにおいて1枚の試料の像を取得する場合、復調処理における演算(復調演算)に、例えば、9枚の変調像が使われる。そのため、2D−SIMにおいては、干渉縞の向きを3通りに変化させ、かつ干渉縞の各向きに対して干渉縞の位相を3通りに変化させて、干渉縞の向きと位相との組み合わせが異なる9通りの各状態で変調像を撮像する。 By the way, when an image of one sample is acquired by the 2D-SIM, for example, nine modulation images are used for the operation (demodulation operation) in the demodulation process. Therefore, in the 2D-SIM, the direction of the interference fringe is changed in three ways, and the phase of the interference fringe is changed in three ways for each direction of the interference fringe, and the combination of the direction and the phase of the interference fringe is changed. Modulated images are picked up in nine different states.
本実施形態に係る構造化照明顕微鏡1は、試料Sのうち活性化層の像を取得する際の復調演算に9枚の変調像を用いる(後述する)。干渉縞の向きは、干渉縞において光強度が周期的に変化する方向(光強度がほぼ変化しない方向の直交方向)に相当する。干渉縞の向きは、例えば、回折格子39を第2照明光学系31の光軸AX2の周りで回転(回動)させることで、変更可能である。また、干渉縞の位相は、干渉縞における明部の位置、暗部の位置に相当する。干渉縞の位相は、例えば、回折格子39を第2照明光学系31の光軸AX2に交差する方向に移動することで、変更可能である。
The structured
本実施形態において、第2照明光学系31は、回折格子39を光軸AX2の周りで回転させる回転駆動部42を備える。回転駆動部42は、例えば電動モータなどのアクチュエータを含む。回転駆動部42は、制御部7によって制御され、回折格子39を回転させる。制御部7は、回転駆動部42を制御することにより、回折格子39の回転位置を、第1の回転位置と第2の回転位置と第3の回転位置とで切り替える(後に図3に示す)。例えば、第2の回転位置は、第1の回転位置から120°回転した回転位置であり、第3の回転位置は、第2の回転位置から120°(第1の回転位置から240°)回転した回転位置である。
In the present embodiment, the second illumination
本実施形態において、第2照明光学系31は、回折格子39を光軸AX2に垂直な方向に駆動する平行駆動部43を備える。平行駆動部43は、例えばピエゾ素子などのアクチュエータを含む。平行駆動部43は、制御部7によって制御され、回折格子39を平行移動させる。制御部7は、平行駆動部43を制御することにより、YZ平面に平行な方向において回折格子39の位置を制御する。制御部7は、例えば、回折格子39の位置を変更するたびに、干渉縞の位相が所定量だけ変化するように、平行駆動部43を制御する。この所定量は、例えば、干渉縞の周期の約1/3(例、2π/3の位相)に設定される。
In the present embodiment, the second illumination
1/2波長板40は、試料Sに入射する際の励起光の偏光状態がS偏光になるように、回折格子39からの励起光の偏光状態を調整する(後に図3および図4に示す)。レンズ41は、1/2波長板40からの励起光を瞳共役面44に集光する。励起光は、レンズ41によって、回折光の次数の応じた位置に集光される。例えば、励起光のうち0次回折光は、瞳共役面44上の光軸AX2に向かって集光される。励起光のうち+1次回折光は、瞳共役面44上の光軸AX2からずれた位置に向かって集光される。励起光のうち−1次回折光は、瞳共役面44上の光軸AX2に対して、+1次回折光の集光位置と対称的な位置に向かって集光される。
The half-
第2照明光学系31は、レンズ41の光出射側に、マスク45、レンズ46、視野絞り47、レンズ48、励起フィルタ49、ダイクロイックミラー33、及び対物レンズ32を備える。
The second illumination
マスク45(光束選択部)は、回折格子39からの複数の回折光のうち、干渉縞の形成に使われる次数の回折光を通し、干渉縞の形成に使われない次数の回折光を遮断する。本実施形態において、干渉縞の形成に使われる回折光は±1次であり、マスク45は、±1次回折光を通すとともに、0次回折光およびその他の回折光を遮断する。マスク45は、例えば、瞳共役面44(開口絞りの位置)に配置される。マスク45は、0次回折光の光路、+1次回折光の光路、及び−1次回折光の光路がいずれも重ならない位置に配置されていればよく、例えば瞳共役面44の近傍に配置されていてもよい。
The mask 45 (light flux selecting unit) passes, among the plurality of diffracted lights from the
図2(A)は、マスク45の一例を示す図である。マスク45において光軸AX2を含む部分は、0次回折光が入射する部分であり、遮光部になっている。マスク45は、第2照明光学系31の光軸AX2から離れて配置された複数の開口部45a〜開口部45fを有する。開口部45a〜開口部45dは、光軸AX2の周りに60°おきに配置されている。開口部45a、開口部45dは、それぞれ、回折格子39が第1の回転位置に配置されている場合の+1次回折光L1、−1次回折光L2が通る位置に配置されている。開口部45c、開口部45fは、それぞれ、回折格子39が第2の回転位置に配置されている場合の+1次回折光、−1次回折光が通る位置に配置されている。開口部45b、開口部45eは、それぞれ、回折格子39が第3の回転位置に配置されている場合の+1次回折光、−1次回折光が通る位置に配置されている。開口部45a〜開口部45fの内寸は、それぞれ、干渉縞の形成に使われる光束が通過する有効径を確保するように設定される。
FIG. 2A is a diagram illustrating an example of the
図2(B)は、マスク45の他の例を示す図である。このマスク45は、光軸AX2およびその周囲が円盤状の遮光部50になっている。マスク45は、環状の外縁部51を有し、遮光部50は帯状の支持部52によって外縁部51に支持されている。支持部52は、回折格子39が第1〜第3の回転位置のいずれに配置されている場合においても±1次回折光が通らない位置に、配置されている。
FIG. 2B is a diagram illustrating another example of the
レンズ46は、マスク45からの励起光(±1次回折光)を、回折格子39の各位置で発生した回折光ごとに同じ位置に集光する。また、レンズ41およびレンズ46は、回折格子39の像を形成する。視野絞り47は、回折格子39と光学的に共役な位置に配置されている。視野絞り47は、励起光が通る開口部を有し、開口部の形状および寸法によって、第2照明光学系31の照明領域を規定する。
The
励起フィルタ49は、レンズ46からの光のうち励起波長以外の光の少なくとも一部を遮断する。例えば、励起フィルタ49は、励起フィルタ49よりも光源部30側からの迷光をカットする。ダイクロイックミラー33は、光源部30からの励起光が反射し、試料Sからの蛍光が透過する特性を有する。ダイクロイックミラー33は、例えば、X方向と約45°の角度で傾斜して設けられる。励起フィルタ49からの励起光は、ダイクロイックミラー33で反射して光路が約90°折れ曲がり、+Z方向に進行して対物レンズ32に入射する。対物レンズ32は、視野絞り47と光学的に共役な位置に回折格子39の像を形成する。
The
ここで、回折格子39の回転位置による励起光の光路および偏光状態について説明する。図3は、回折格子39の各回転位置における励起光の光路および偏光状態を示す図である。図4は、回折格子39の各回転位置において、対物レンズ32の瞳面32aにおける集光領域と励起光の偏光状態を示す図である。図3および図4において、丸枠の矢印は、励起光の偏光状態を示す。
Here, the optical path and the polarization state of the excitation light depending on the rotational position of the
符号Q1は、回折格子39が第1の回転位置に配置された状態を示す。第1の回転位置は、任意に設定されるが、例えば、回折格子39の周期方向D1がZ方向と平行になる回転位置とする。偏光板38の透過軸38aは、例えば、Z方向と平行に設定され、偏光板38を通った励起光の偏光状態Q1aは、Z方向の直線偏光である。回折格子39で発生した+1次回折光L1と−1次回折光L2は、回折格子39の周期方向D1に互いに離れるように、分岐する。回折格子39と1/2波長板40との間の光路において、各回折光の偏光状態Q1bは、例えばZ方向の直線偏光である。状態Q1において、1/2波長板40の進相軸40aは、例えばY方向と−45°の角度をなす方向に設定される。1/2波長板40を通った各回折光のうち0次回折光は、マスク45に遮られ、試料Sへ向かう光路から除かれる。マスク45を通った+1次回折光L1および−1次回折光L2の偏光状態Q1cは、それぞれ、回折格子39の周期方向D1に直交する方向(Y方向)の直線偏光である。
A symbol Q1 indicates a state where the
図4の状態Q1に示すように、+1次回折光L1および−1次回折光L2は、それぞれ、対物レンズ32の瞳面32a上の集光領域に集光される。ここで、光軸AX2の周りの回転位置θを、X方向と平行な径方向の回転位置を0°とし、−Z方向から見た場合に時計回りを正とする角度で表す。+1次回折光L1の集光領域は、θ=0°の回転位置に配置され、−1次回折光L2の集光領域は、θ=180°の回転位置に配置される。+1次回折光L1の集光領域と−1次回折光L2の集光領域とを結ぶ方向D4は、X方向に平行であり、試料Sに対する±1次回折光の入射面は、光軸AX2を含み方向D4に平行な面(XZ面)である。±1次回折光は、Y方向の直線偏光になっており、試料Sに対するS偏光になっている。
As shown in the state Q1 of FIG. 4, the + 1st-order diffracted light L1 and the -1st-order diffracted light L2 are respectively condensed on the condensing area on the
また、図3および図4において符号Q2は、回折格子39が第2の回転位置に配置された状態を示す。状態Q2において、回折格子39の周期方向D2とZ方向との角度は、例えば120°である。偏光板38を通った励起光の偏光状態Q2aは、例えばZ方向の直線偏光である。回折格子39で発生した+1次回折光L1と−1次回折光L2は、回折格子39の周期方向D2に互いに離れるように、分岐する。回折格子39と1/2波長板40との間の光路において、各回折光の偏光状態Q2bは、例えばZ方向の直線偏光である。状態Q2において、1/2波長板40の進相軸40aは、例えばY方向と15°の角度をなす方向に設定される。1/2波長板40を通った各回折光のうち0次回折光は、マスク45に遮られ、試料Sへ向かう光路から除かれる。マスク45を通った+1次回折光L1および−1次回折光L2の偏光状態Q2cは、それぞれ、回折格子39の周期方向D2と直交する方向の直線偏光である。
3 and 4, reference numeral Q2 indicates a state where the
図4の状態Q2に示すように、+1次回折光L1および−1次回折光L2は、それぞれ、対物レンズ32の瞳面32a上の集光領域に集光される。+1次回折光L1の集光領域は、θ=120°の回転位置に配置され、−1次回折光L2の集光領域は、θ=300°の回転位置に配置される。+1次回折光L1の集光領域と−1次回折光L2の集光領域とを結ぶ方向D5は、+X方向から時計回りを正として120°の角度の方向である。試料Sに対する±1次回折光の入射面は、光軸AX2を含み方向D5に平行な面である。±1次回折光は、方向D5に直交する方向の直線偏光になっており、試料Sに対するS偏光になっている。
As shown in a state Q2 in FIG. 4, the + 1st-order diffracted light L1 and the −1st-order diffracted light L2 are respectively condensed on a condensing area on the
また、図3および図4において符号Q3は、回折格子39が第3の回転位置に配置された状態を示す。状態Q3において、回折格子39の周期方向D3とZ方向との角度は、例えば240°である。偏光板38を通った励起光の偏光状態Q3aは、例えばZ方向の直線偏光である。回折格子39で発生した+1次回折光L1と−1次回折光L2は、回折格子39の周期方向D3に互いに離れるように、分岐する。回折格子39と1/2波長板40との間の光路において、各回折光の偏光状態Q3bは、例えばZ方向の直線偏光である。状態Q3において、1/2波長板40の進相軸40aは、例えばY方向と75°の角度をなす方向に設定される。1/2波長板40を通った各回折光のうち0次回折光は、マスク45に遮られ、試料Sへ向かう光路から除かれる。マスク45を通った+1次回折光L1および−1次回折光L2の偏光状態Q3cは、それぞれ、回折格子39の周期方向D3と直交する方向の直線偏光である。
Further, in FIGS. 3 and 4, reference numeral Q3 indicates a state where the
図4の状態Q3に示すように、+1次回折光L1および−1次回折光L2は、それぞれ、対物レンズ32の瞳面32a上の集光領域に集光される。+1次回折光L1の集光領域は、θ=240°の回転位置に配置され、−1次回折光L2の集光領域は、θ=60°の回転位置に配置される。+1次回折光L1の集光領域と−1次回折光L2の集光領域とを結ぶ方向D6は、+X方向から時計回りを正として240°の角度の方向である。試料Sに対する±1次回折光の入射面は、光軸AX2を含み方向D6に平行な面である。±1次回折光は、方向D6に直交する方向の直線偏光になっており、試料Sに対するS偏光になっている。
As shown in the state Q3 of FIG. 4, the + 1st-order diffracted light L1 and the -1st-order diffracted light L2 are respectively condensed on the condensing area on the
なお、回折格子39の回転位置に応じて±1次回折光の偏光状態を調整するには、1/2波長板40を回転させてもよい。例えば、制御部7は、回転駆動部42を制御して回折格子39を120°回転させる際に、1/2波長板40を60°回転させてもよい。また、図2(A)に示したマスク45において、回折格子39の回転位置に応じて±1次回折光が通る開口部ごとに、1/2波長板40を固定しておいてもよい。この場合、開口部の位置に応じて、開口部ごとに1/2波長板40の進相軸の方向を設定すればよい。
In order to adjust the polarization state of the ± 1st-order diffracted light according to the rotational position of the
以上のようにして、図1に示した励起照明部4は、試料Sの活性化層に設定される照明領域に、±1次回折光による干渉縞を形成し、試料Sの活性化層において活性化された蛍光物質は、励起光によって蛍光を発する。この蛍光により、試料Sの蛍光密度分布を干渉縞で変調した変調像が得られる。 As described above, the excitation illumination unit 4 shown in FIG. 1 forms interference fringes by ± 1st-order diffracted light in the illumination area set in the activation layer of the sample S, The converted fluorescent substance emits fluorescence by the excitation light. With this fluorescence, a modulated image in which the fluorescence density distribution of the sample S is modulated by interference fringes is obtained.
撮像部5は、試料Sが干渉縞で変調された変調像を撮像する。撮像部5は、結像光学系55、及び撮像素子56を備える。結像光学系55は、対物レンズ32、ダイクロイックミラー33、バリアフィルタ57、及びレンズ58を備える。
The
試料Sからの蛍光は、対物レンズ32を通って平行光に変換されたのち、ダイクロイックミラー33を透過して、バリアフィルタ57に入射する。バリアフィルタ57は、試料Sからの蛍光の波長以外の波長帯の光の少なくとも一部を遮断する。レンズ58は、対物レンズ32とともに試料S(励起照明部4の照明領域)を物体面とする像面を形成する。すなわち、対物レンズ32およびレンズ58は、試料Sの変調像を形成する。結像光学系55の焦点位置は、例えば、Z方向において活性化照明部3の照明領域内に設定される。
The fluorescence from the sample S passes through the
撮像素子56は、例えば、CCDセンサやCMOSセンサなどのイメージセンサを含む。撮像素子56は、複数の画素が配列される受光面を有する。受光面は、結像光学系55の像面(試料Sと光学的に共役な面)に配置されている。受光面において、各画素にフォトダイオードなどの光電変換部が配置されており、撮像素子56は、試料Sからの蛍光を光電変換部により電荷に変換し、試料Sからの蛍光を検出する。
The
このようにして、撮像部5は、変調像を撮像し、その撮像結果(以下、変調画像という)を復調部6に供給する。復調部6は、変調像の撮像結果を使って復調処理を実行し、試料Sの像を生成する。復調部6は、干渉縞の向きおよび方向が互いに異なる状態で撮像された、複数の変調像を用いて、復元画像を生成することができる。復調部6は、例えば、米国特許第8115806号明細書に開示された方法で復調処理を行ってもよいが、この方法に限られない。例えば、米国特許第8115806号明細書に開示された方法で行ってもよい。
In this way, the
本実施形態において、構造化照明顕微鏡1は、試料Sの厚み方向において観察対象とする部分(以下、観察対象面という)を活性化照明部3の照明領域に保持し、活性化照明部3によって観察対象面を選択的に活性化できる。また、構造化照明顕微鏡1は、試料Sのうち観察対象面以外の厚み部分の少なくとも一部を不活性な状態に保持しながら、励起照明部4によって干渉縞を観察対象面に照射できる。このようにして、構造化照明顕微鏡1は、試料Sのうち観察対象面から選択的に蛍光を発生させ、観察対象面の変調像を撮像部5によって撮像できる。そして、この変調像を復調することによって、結像光学系55の解像限界を超えた超解像画像が得られる。
In the present embodiment, the structured
本実施形態に係る構造化照明顕微鏡1は、試料Sのうち観察対象面以外の部分における蛍光の発生を抑制できるので、観察対象面からの蛍光に対して背景光を小さく抑えることができる。その結果、構造化照明顕微鏡1は、結像光学系55の焦点深度を超える厚みの試料Sに対して超解像画像を生成する際に、画質の低下を抑制することができる。
The structured
図5は、活性化照明部3からの活性化光L4および励起照明部4の照明領域IRを示す図である。図5には、活性化照明部3の光軸AX1が、励起照明部4の光軸AX2を通るように設定された状態を示した。本実施形態において、活性化照明部3の光軸AX1は、励起照明部4の光軸AX2を通るように固定されている。
FIG. 5 is a diagram illustrating the activation light L4 from the
励起照明部4の照明領域IRは、例えば、撮像素子56の受光面と光学的に共役な位置に設定される。活性化照明部3が活性化光L4を照射する範囲は、例えば、照明領域IRを含む範囲に設定される。例えば、活性化照明部3は、XY平面に平行な面において、照明領域IRよりも広い範囲にわたりシート状の活性化光L4を照射する。
The illumination area IR of the excitation illumination section 4 is set, for example, at a position optically conjugate with the light receiving surface of the
なお、活性化照明部3が活性化光L4を照射する範囲は、Z方向において照明領域IRとずれた位置に設定されていてもよい。この場合、Z方向における試料Sの一部を活性化した後、ステージ2によって試料SをZ方向に移動させて、活性化層を励起照明部4の照明領域IRに配置し、活性化層への励起光の照射および活性化層の変調像の撮像を実行してもよい。また、構造化照明顕微鏡1は、活性化照明部3が活性化光を照射する範囲と、励起照明部4の照明領域IRとの相対位置が可変であってもよい(変形例で説明する)。
The range in which the
励起照明部4の照明領域IRにおける活性化光L4の厚みBは、例えば1μm以下に設定され、Z方向における試料Sの厚み以下に設定される。活性化光L4の、また、ステージ2のZ方向の位置(高さ)を変更することにより、試料SのうちZ方向の位置が異なる複数の観察対象面のそれぞれの変調像を取得できる。ステージ2のZ方向の位置をステップ的に変化させながら観察を行う場合、Z方向におけるステージ2の位置のステップ量は、例えば活性化光の厚みBと同じ値に設定されていてもよいし、厚みBより大きい値に設定されていてもよく、厚みB未満の値に設定されていてもよい。また、活性化光L4の厚みBは、例えば、結像光学系55の焦点深度以下の範囲に設定してもよい。この場合、試料Sのうち観察対象面以外の部分、からの蛍光が検出されにくい。
The thickness B of the activation light L4 in the illumination region IR of the excitation illumination section 4 is set to, for example, 1 μm or less, and is set to be equal to or less than the thickness of the sample S in the Z direction. By changing the position (height) of the activation light L4 in the Z direction of the
本実施形態において、構造化照明顕微鏡1は、制御装置CONTを備える。制御部7および復調部6は、制御装置CONTに設けられている。制御装置CONTは、例えば、コンピュータシステムを含み、図示しない記憶装置から読み込まれる制御プログラムに従って各種の処理を実行する。この制御プログラムは、例えば、コンピュータに、試料に含まれた蛍光物質を活性化するための活性化光を、試料に第1方向から照射することと、第1方向と異なる第2方向から、蛍光物質を励起するための励起光を、干渉縞で試料に照射することと、干渉縞の方向および位相を制御することと、干渉縞が照射された試料の像を形成することと、像を撮像して第1画像を生成することと、撮像により生成された複数の第1画像を用いて、第2画像を生成することと、を含む処理の制御を実行させる。
In the present embodiment, the structured
制御装置CONTは、例えば液晶ディスプレイなどの表示装置59が接続され、観察結果を示す画像(例、超解像画像)、構造化照明顕微鏡1の設定を示す画像などを表示装置59に表示させることができる。また、制御装置CONTには、例えばキーボード、マウス、タッチパネルなどの入力装置(図示せず)が接続される。この入力装置は、例えばユーザーから観察条件、構造化照明顕微鏡1の設定、指令などの情報の入力を受け付ける。観察条件は、例えば、試料Sのうち観察対象の部分の位置を含む。構造化照明顕微鏡1の設定は、例えば観察モードの設定を含む。指令は、例えば、観察の開始、中断、再開、終了などを含む。
The control device CONT is connected to a
次に、上述のような構造化照明顕微鏡1の動作に基づき、試料Sの観察方法について説明する。図6は、構造化照明顕微鏡1の動作を示すフローチャートである。構造化照明顕微鏡1は、ステップS1において試料Sの高さ(Z方向の位置)を設定する。例えば、制御装置CONTの制御部7は、ユーザーから指定された試料Sの観察対象面を、ステージ2を制御することによって、活性化照明部3の照明領域に配置する。
Next, an observation method of the sample S will be described based on the operation of the structured
構造化照明顕微鏡1は、ステップS2において、活性化照明部3から試料Sに活性化光を照射する。例えば、制御部7は、光源部10を制御し、予め定められた光量の活性化光を試料Sに照射させる。光量の設定値は、例えば、照射時間、光源部10の発光強度、光源部10への供給電力などで規定される。光量の設定値は、例えば、試料Sの観察対象面における蛍光色素の活性化を飽和できるレベルに設定される。構造化照明顕微鏡1は、ステップS3において、例えば制御部7が光源部10を制御することにより、活性化照明部3から試料Sへの活性化光の照射を停止する。
In step S2, the structured
構造化照明顕微鏡1は、ステップS4において、励起照明部4が形成する干渉縞の条件を設定する。干渉縞の条件は、干渉縞の位相と向きの少なくとも一方を含む。例えば、制御部7は、次回の撮像において干渉縞の位相を変更する場合、平行駆動部43を制御して、回折格子39の位置を制御する。また、制御部7は、次回の撮像において干渉縞の向きを変更する場合、回転駆動部42を制御して、回折格子39の回転位置を制御する。なお、ステップS4の処理は、ステップS2の処理と並行して行ってもよいし、ステップS2の処理と重複しない期間に行ってもよい。
In step S4, the structured
構造化照明顕微鏡1は、ステップS3の処理およびステップS4の処理が終了した後に、ステップS5において励起照明部4から試料Sに励起光を照射する。また、構造化照明顕微鏡1は、ステップS6において、励起光が照射されている試料Sを撮像部5により撮像する。例えば、制御部7は、光源部30を制御して励起照明部4に励起光を照射させ、励起光の照射に対して予め定められたタイミングで撮像部5に試料Sを撮像させる。
After the processing in step S3 and the processing in step S4 are completed, the structured
構造化照明顕微鏡1は、ステップS7において、所定数の撮像が完了したか否かを判定する。例えば、制御部7は、復調部6による復調演算に必要とされる変調画像が9枚である場合、これら9枚の変調画像が撮像済であるか否かを判定する。制御部7は、所定数の撮像が完了していないと判定した場合(ステップS7;No)、ステップS2からステップS6の処理を実行させる。制御部7は、所定数の撮像が完了したと判定した場合(ステップS7;Yes)、取得された変調画像を元に、復調部6に復調処理を実行させる(ステップS8)。
In step S7, the structured
また、制御部7は、ステップS9において、試料Sの深さ方向の観察領域において撮像が完了したか否かを判定する。深さ方向の観察領域は、例えば、ユーザーが指定する観察条件に規定される。例えば、ユーザーは、深さ方向において、観察開始位置と観察終了位置の2か所を指定することにより、観察領域を指定することができる。本実施形態において、制御装置CONTの制御部7は、ユーザーにより指定された観察終了位置に達するまでステージ2を移動させ、観察対象面を変更して変調画像の取得する処理を繰り返すことにより、所定の厚みの部分の超解像画像を生成する。制御部7は、所定の深さ方向の観察領域に対する撮像が完了していないと判定した場合(ステップS9;No)、ステップS10において、試料Sに対して不活性化照明部20から不活性化光を照射させる。制御部7は、例えば、不活性化照明部20から、予め定められた光量の不活性化光が照射された後に、不活性化照明部20による不活性化光の照射を停止させる(ステップS11)。また、構造化照明顕微鏡1は、ステップS11の処理の終了後、ステップS1からステップS8の処理を行って、次の観察対象面の超解像画像を生成する。制御部7は、深さ方向の観察領域の部分に対する撮像が完了したと判定した場合(ステップS9;Yes)、一連の処理を終了する。
In step S9, the
上述した実施例では、1枚の変調画像を撮像する毎に試料Sに活性化光を照射する場合を説明した。励起光を当てると、蛍光物質の一部が不活性化状態になる場合があるので、変調画像を撮像する毎に試料Sに活性化光を照射することにより、励起光により不活性化した蛍光物質を再度活性化して変調画像を撮像することができる。
例えば、干渉縞の方向を3通りに変更し、干渉縞の各方向について干渉縞の位相を3通りに変更する場合においては、構造化照明顕微鏡1は、干渉縞の方向と位相の9通りの組み合わせのそれぞれにおいて変調画像を撮像し、1枚の変調画像を撮像する毎に試料Sに活性化光を照射する。In the above-described embodiment, the case where the sample S is irradiated with the activation light every time one modulated image is captured has been described. When the excitation light is applied, a part of the fluorescent substance may be in an inactivated state. Therefore, each time a modulated image is captured, the sample S is irradiated with the activation light, so that the fluorescent light inactivated by the excitation light is emitted. The substance can be activated again to take a modulated image.
For example, in the case where the direction of the interference fringe is changed in three ways and the phase of the interference fringe is changed in three ways in each direction of the interference fringe, the structured
なお、構造化照明顕微鏡1は、複数の変調画像を撮像するたびに試料Sに活性化光を照射してもよい。例えば、構造化照明顕微鏡1は、干渉縞の位相を変更しながら3枚の変調画像を撮像する処理に対して、活性化光を照射する処理の回数が1回であってもよい。また、構造化照明顕微鏡1は、干渉縞の方向と位相の組み合わせを9通りに変更し、9枚の変調画像を撮像する処理に対して、活性化光を照射する処理の回数が1回であってもよい。また、構造化照明顕微鏡1は、活性化照明部3により活性化光を試料Sに照射するとともに励起照明部4により励起光を試料Sに照射し、試料Sを撮像部5により撮像してもよい。
The structured
なお、ここでは、1つの試料Sがおける複数の観察対象面を含む場合を説明したが、観察対象面の数は1つでもよい。この場合、試料Sの蛍光色素を不活性化させなくてもよく、不活性化照明部20を省略可能である。また、不活性化照明部20は、活性化照明部3と第1照明光学系11が共通化されているが、第1照明光学系11と別の光路から不活性化光を試料に照射してもよい。不活性化照明部20が照射する不活性化光は、シート状でなくてもよい。また、構造化照明顕微鏡1は、励起照明部4を不活性化照明部20として利用したものでもよい。
Note that, here, a case where one sample S includes a plurality of observation target surfaces in one sample S has been described, but the number of observation target surfaces may be one. In this case, the fluorescent dye of the sample S does not need to be inactivated, and the
なお、制御部7は、ステップS3において、予め設定された活性化光の光量に基づいて活性化光の照射を停止するが、試料Sにおける蛍光色素の活性化のレベルを検出して、その検出結果に基づいて活性化光の照射を停止してもよい。
In step S3, the
図7は、試料Sにおける蛍光色素の活性化のレベルを検出する処理の一例を示すフローチャートである。制御部7は、ステップS20において、励起照明部4において+1次回折光を遮断する。例えば、図2に示したマスク45の開口部にシャッタを設けておき、制御部7は、シャッタを閉じることによって、+1次回折光が試料Sに照射されないようにする。また、制御部7は、ステップS21において、光源部30を制御することにより励起照明部4から試料Sに−1次回折光を照射させる。この場合、+1次回折光が遮断されているので試料Sに干渉縞が形成されず、励起照明部4は、+1次回折光を遮断しない場合と比較して均一な明るさで試料Sを照明できる。
FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of a process for detecting the activation level of the fluorescent dye in the sample S. The
制御部7は、例えば、試料Sへの励起光の照射を継続させながら、ステップS22において試料Sからの蛍光を撮像素子56によって検出させる。制御部7は、ステップS23において、撮像素子56の検出値の時間変化量が閾値以下であるか否かを判定する。撮像部5の検出値の時間変化量が閾値以下であることは、試料Sにおける蛍光色素の活性化のレベルがほぼ飽和していることに相当する。制御部7は、撮像素子56の検出値の時間変化量が閾値よりも大きいと判定した場合(ステップS23;No)、ステップS22およびステップS23の処理を繰り返す。制御部7は、撮像素子56の検出値の時間変化量が閾値以下であると判定した場合(ステップS23;Yes)、ステップS3において活性化光の照射を停止させる。このように、制御部7は、蛍光物質の活性化状態が飽和状態となったと判定されるまで、活性化光を照射させる。この場合、構造化照明顕微鏡1は、試料Sにおける蛍光色素の活性化のレベルがほぼ飽和している状態で、試料Sを撮像できる。なお、制御部7は、撮像素子56の検出値が閾値以上の場合、蛍光物質の活性化状態が飽和状態となったと判定し、活性化光の照射を停止させてもよい。
The
なお、構造化照明顕微鏡1は、試料Sを干渉縞で照明しながら試料Sにおける蛍光色素の活性化のレベルを検出してもよい。この場合、ステップS20の処理を行わなくてもよい。また、構造化照明顕微鏡1は、試料Sにおける蛍光色素の活性化のレベルが飽和していない状態で、励起光を試料Sに照射して、試料Sの変調像を撮像してもよい。例えば、試料Sにおける蛍光色素の活性化のレベルが飽和していると変調画像の明るさが過剰になる場合がある。また、例えば、試料Sに対する活性化光の照射の影響を減らすため、蛍光色素の活性化のレベルが飽和する前に、活性化光の照射を停止する場合がある。このような場合、ステップS23の判定処理の代わりに、あるいはステップS23の判定処理に加えて、撮像素子56の検出値が閾値以下であるか否かを判定してもよい。
The structured
なお、制御部7は、図6に示したステップS11において、予め設定された不活性化光の光量に基づいて不活性化光の照射を停止するが、試料Sにおける蛍光色素の不活性化のレベルを検出して、その検出結果に基づいて活性化光の照射を停止してもよい。
In step S11 shown in FIG. 6, the
図8は、試料Sにおける蛍光色素の不活性化のレベルを検出する処理の一例を示すフローチャートである。制御部7は、ステップS25において、励起照明部4において+1次回折光を遮断する。制御部7は、ステップS26において、励起照明部4から試料Sに−1次回折光を照射させる。ステップS25およびステップS26の処理は、図8に示したステップS20およびステップS21の処理と同様でよい。
FIG. 8 is a flowchart illustrating an example of a process for detecting the level of inactivation of the fluorescent dye in the sample S. The
制御部7は、例えば、試料Sへの励起光の照射を継続させながら、ステップS27において試料Sからの蛍光を撮像素子56によって検出させる。制御部7は、ステップS28において、撮像素子56の時間変化量が閾値以下であるか否かを判定する。撮像素子56の検出値の時間変化量が閾値以下であることは、試料Sにおける蛍光色素の不活性化のレベルがほぼ飽和していることに相当する。制御部7は、撮像素子56の検出値の時間変化量が閾値よりも大きいと判定した場合(ステップS28;No)、ステップS27およびステップS28の処理を繰り返す。制御部7は、撮像素子56の検出値の時間変化量が閾値以下であると判定した場合(ステップS28;Yes)、ステップS11において不活性化光の照射を停止させる。この場合、構造化照明顕微鏡1は、試料Sにおける蛍光色素の不活性化のレベルがほぼ飽和している状態で、次の観察対象面に対する変調像の撮像を行うことができる。そのため、次の観察対象面に励起光を照射した際に、前回の観察対象面から蛍光が発生することを抑制できる。なお、制御部7は、ステップS28において、撮像素子56の検出値の時間変化が閾値以下であるか否かを判定する代わりに、撮像素子56の検出値が閾値以下であるか否かを判定してもよい。
The
なお、活性化照明部3は、試料Sのうちシート状の領域を選択的に照明できるものであればよく、上述の実施形態の構成に限定されない。以下、活性化照明部3の変形例について説明する。
The
図9(A)は、第1変形例の第1照明光学系11を示す斜視図、図9(B)は第1変形例の第1照明光学系11の光路を示す図である。この第1照明光学系11は、光ファイバ13の光出射側に、コリメータレンズ14およびシリンドリカルレンズ15を備え、図1に示した構成からスリット16、及びレンズ群17を省略した構成である。このように、活性化照明部3は、スリット16によるビーム成形を行わなくてもよく、この場合、スリット16の像を投影するレンズ群17は省略可能である。
FIG. 9A is a perspective view showing the first illumination
図10(A)は、第2変形例の第1照明光学系11を示す斜視図、図10(B)は第2変形例の第1照明光学系11の光路を示す図である。この第1照明光学系11は、光ファイバ13側から試料S側に向かって、コリメータレンズ14、集光レンズ60、ピンホール61、コリメータレンズ62、及びシリンドリカルレンズ15を備える。ピンホール61は、例えば円形の開口を有する。集光レンズ60は、コリメータレンズ14からの活性化光をピンホール61の開口に向けて集光する。コリメータレンズ62は、ピンホール61からの活性化光を平行化する。シリンドリカルレンズ15は、コリメータレンズ62からの活性化光を、XZ平面に平行な面において屈折させるとともに、XY面に平行な面においてほぼ屈折させない。この第1照明光学系11も、活性化光をシート状に成型できる。このように、シリンドリカルレンズ15を使ってシート状の活性化を形成する場合、シリンドリカルレンズ15の配置は変更可能である。
FIG. 10A is a perspective view illustrating a first illumination
図11(A)は、第3変形例の第1照明光学系11を示す斜視図、図11(B)は第3変形例の第1照明光学系11の光路を示す図である。この第1照明光学系11は、光ファイバ13の光出射側に、コリメータレンズ14、スリット16、コリメータレンズ62、及びレンズ63を備える。スリット16は、Z方向において、コリメータレンズ14からの不活性光のビーム径よりも狭い開口部16aを有する。また、スリット16は、コリメータレンズ62の後側焦点位置に配置されている。開口部16a(図10(D)参照)は、Y方向とZ方向のうちZ方向を短手方向とする形状(例、Z方向に平行な短辺を有する矩形状)である。レンズ63の前側焦点位置と、コリメータレンズ62の後側焦点位置が一致するように配置され、コリメータレンズ62およびレンズ63は、スリット16の開口部16aを通った活性化光をシート状にして照明領域に集光する。
FIG. 11A is a perspective view showing a first illumination
図12(A)は、第4変形例の第1照明光学系11を示す斜視図、図12(B)は第4変形例の第1照明光学系11の光路を示す図である。この第1照明光学系11は、光ファイバ13の光出射側に、コリメータレンズ14、スリット16、及びレンズ63を備える。スリット16の開口部16aは、Y方向とZ方向のうちY方向を短手方向とする形状である。スリット16の開口部16aの寸法は、例えば長手方向(Z方向)において、コリメータレンズ14からの活性化光のビーム径よりも小さく設定される。スリット16は、レンズ63の後側焦点位置に配置されている。レンズ63は、スリット16の開口部16aを通った活性化光を照明領域に集光する。このように、第1照明光学系11は、スリット16によって活性化光を成形してもよく、シリンドリカルレンズを含まなくてもよい。
FIG. 12A is a perspective view showing a first illumination
図13(A)は、第5変形例の第1照明光学系11を示す斜視図、図13(B)は第5変形例の第1照明光学系11の光路を示す図である。この第1照明光学系11は、光ファイバ13の光出射側に、コリメータレンズ14、光軸AX1上の頂角が鈍角である三角プリズム64、レンズ群65を備える。三角プリズム64は、第1照明光学系11の光軸AX1に関して、軸対称な形状である。三角プリズム64は、レンズ群65(レンズ65aおよびレンズ65b)の瞳面の位置において、活性化光を2か所に集光させる。これらの集光した活性化光を、レンズ65bで試料に投影すると、試料に投影された光は、Z方向にベッセルビームであるシート光となる。このように、第1照明光学系11は、活性化光としてZ方向にベッセルビームであるシート光を試料Sに照射する。このような第1照明光学系11は、焦点深度を長くとることができ、照明領域の厚みを減らすことができる。また、第1照明光学系11は、活性化光の一部を遮光してビーム成形を行う構成と比較して、光のロスを減らすことができる。なお、この際の光ファイバの出射端の径を大きくしておくとよく、そうすることでZ方向のベッセルビーム状照明光の光軸上における光密度を高めることができる。
FIG. 13A is a perspective view illustrating a first illumination
図14(A)は、第6変形例の第1照明光学系11を示す斜視図、図14(B)は第6変形例の第1照明光学系11の光路を示す図である。この第1照明光学系11は、光ファイバ13の光出射側に、コリメータレンズ14、スリット16、及びレンズ66を備える。例えば、スリット16の開口部16aおよび開口部16bは、それぞれ、内縁の形状が円形でその内径が波長に比べて十分大きな貫通孔である。開口部16aと開口部16bは、第1照明光学系11の光軸AX1から離れており、光軸AX1に関して対称的に設けられている。このような第1照明光学系11は、上述した三角プリズム64を使わなくともZ方向にベッセルビームであるシート光を形成することができる。
FIG. 14A is a perspective view illustrating a first illumination
図15(A)は、第7変形例の第1照明光学系11を示す斜視図、図15(B)は第7変形例の第1照明光学系11の光路を示す図である。この第1照明光学系11は、光ファイバ13の光出射側に、コリメータレンズ14、ミラー67、及びレンズ63を備える。ミラー67は、コリメータレンズ14とレンズ63との間の光路に配置されている。ミラー67は、Z方向に平行な軸の周りで回転可能に設けられている。ミラー67は、ミラー駆動部68に駆動されて、回転する。ミラー67およびミラー駆動部68は、例えば、ガルバノミラー、MEMSミラーなどである。制御部7は、ミラー駆動部68を制御することにより、ミラー67の回転位置を制御できる。コリメータレンズ14により平行化された活性化光は、ミラー67で反射することにより、ミラー67の回転位置に応じてY方向に偏向し、レンズ63により集光する。このように、活性化照明部3は、YZ平面において集光した活性化光(直線状の活性化光)で試料SをY方向に走査することにより活性化光を照射してもよい。
FIG. 15A is a perspective view showing a first illumination
図16(A)は、第8変形例の第1照明光学系11を示す斜視図、図16(B)は第8変形例の第1照明光学系11の光路を示す図である。この第1照明光学系11は、光ファイバ13の光出射側に、コリメータレンズ14、集光レンズ15、ピンホール61、コリメータレンズ62、ミラー67、及びレンズ63を備える。集光レンズ15は、コリメータレンズ14によって平行化された活性化光を、ピンホール61の開口部に向けて集光する。コリメータレンズ62は、ピンホール61からの活性化光を平行化する。ミラー67は、コリメータレンズ62により平行化された活性化光を偏向する。レンズ63は、ミラー67で反射した活性化光を照明領域に集光する。このように、第1照明光学系11は、ピンホール61でビーム成形することにより、YZ平面において集光した活性化光(直線状の活性化光)で、試料Sを走査してもよい。
FIG. 16A is a perspective view illustrating a first illumination
図17(A)は、第9変形例の第1照明光学系11を示す斜視図、図17(B)は第1変形例の第1照明光学系11の光路を示す図である。この第1照明光学系11は、光ファイバ13の光出射側に、コリメータレンズ14、アキシコンレンズ69、レンズ群65、及びミラー67を備える。アキシコンレンズ69とレンズ群65は、コリメータレンズ14により平行化された活性化光をベッセルビームに成形する。ミラー67は、レンズ群65の瞳面に配置されており、レンズ群65を通る活性化光をY方向に偏向させる。このように、第1照明光学系11は、アキシコンレンズ69を用いてベッセルビームに成形された活性化光で試料Sを走査してもよい。
FIG. 17A is a perspective view showing a first illumination
図18(A)は、第10変形例の第1照明光学系11を示す斜視図、図18(B)は第1変形例の第1照明光学系11の光路を示す図である。この第1照明光学系11は、光ファイバ13の光出射側に、コリメータレンズ14、スリット16、レンズ群65、及びミラー67を備える。本変形例のスリット16の開口部16aは、第1照明光学系11の光軸AX1を中心とする輪帯状(円環状)である。スリット16およびレンズ群65は、コリメータレンズ14により平行化された活性化光をベッセルビームに成形する。ミラー67は、レンズ群65の瞳面に配置されており、レンズ群65を通る活性化光を偏向させる。このように、第1照明光学系11は、スリット16を用いてベッセルビームに成形された活性化光で試料Sを走査してもよい。
FIG. 18A is a perspective view illustrating a first illumination
図19は、第11変形例の活性化照明部3を示す図である。本変形例の活性化照明部3は、Z方向において活性化光の光路を変更する光路調整部70を備える。なお、図19(A)には、活性化光の光路が変更される前の状態を示し、図19(B)には、活性化光の光路が変更された後の状態を示した。
FIG. 19 is a diagram illustrating the
光路調整部70は、例えば、活性化光が透過する平行平板71と、平行平板71を駆動する駆動部72とを備える。平行平板71は、例えば、第1照明光学系11内の光路において、活性化光が平行化されている位置に配置される。本変形例において、平行平板71は、レンズ群17の間の光路に配置されている。
The optical
駆動部72は、Y方向に平行な軸の周りで平行平板71を回転駆動し、Z方向に対する平行平板71の角度(傾斜角)を変化させる。制御部7は、駆動部72を制御することにより、Z方向に対する平行平板71の角度を制御する。図19(B)に示すように、平行平板71が傾斜すると、活性化光は、平行平板71の入射側の界面および出射側の界面のそれぞれで屈折し、活性化光の光路がZ方向にシフトする。活性化光の光路のシフト量は、平行平板71の屈折率、平行平板71の厚み、平行平板71の傾斜角により定まる。制御部7は、平行平板71の傾斜角を制御することにより、光路のシフト量を制御できる。
The driving
ところで、構造化照明顕微鏡1は、対物レンズ32と試料Sとの間に浸液(例、油)が配置された状態で、液浸型(油浸型)の顕微鏡として利用できる。この場合、一般には浸液と試料の屈折率が異なることから、対物レンズ32を固定しつつステージ2をZ方向に移動すると、光学的距離が変化する。そのため、励起照明部4により形成される構造化照明のコントラストの高い領域、および、対物レンズ2の焦点があっている面がZ方向にシフトし、活性化照明部3の照明領域とZ方向の位置が合わなくなる。このような場合、制御部7は、駆動部72を制御して、活性化光の光路をZ方向においてシフトさせることにより、活性化照明部3の照明領域を励起照明部4の照明領域に合わせることができる。活性化照明部3および不活性化照明部20を励起照明部4および撮像部5に対して、相対的にZ方向にシフトさせてもよい。
Incidentally, the structured
図20は、第12変形例の活性化照明部3を示す図である。本変形例において、励起照明部4の光源部30は、不活性化照明部20の光源部21を兼ねている。不活性化照明部20は、光源部30と集光レンズ35との間の光路に挿脱可能なミラー75を備える。図20(A)には、光源部30と集光レンズ35との間の光路からミラー75が退避された状態(以下、退避状態という)を示し、図20(B)には、光源部30と集光レンズ35との間の光路にミラー75が挿入された状態(以下、挿入状態という)を示した。
FIG. 20 is a diagram illustrating an
図20(A)に示すように、ミラー75の退避状態において、光源部30から出射した励起光は、集光レンズ35に入射し、第2照明光学系31を介して試料Sに照射される(図1参照)。また、図20(B)に示すように、ミラー75の挿入状態において、光源部30から出射した励起光は、ダイクロイックミラー23の波長選択膜で反射して、集光レンズ12に入射する。集光レンズ12に入射した励起光は、第1照明光学系11を介して、不活性化光として試料Sに照射される(図1参照)。
As shown in FIG. 20A, in the retracted state of the
制御部7は、ミラー75の駆動部(図示略)を制御し、ミラー75の退避状態と挿入状態とを切り替え可能である。なお、試料Sの変調像を撮像する際の励起光の光量は、例えば、試料Sを不活性化する際の不活性化光の光量よりも少なく設定される。制御部7は、ミラー75の退避状態において、ミラー75の挿入状態よりも光源部30の発光量を減らすこともできる。
The
[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図21は、本実施形態に係る構造化照明顕微鏡1を示す図である。この構造化照明顕微鏡1は、試料Sの厚み方向(Z方向)の超解像画像を生成する3D−SIMモードを有する。[Second embodiment]
Next, a second embodiment will be described. In the present embodiment, the same components as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified. FIG. 21 is a diagram illustrating the structured
本実施形態において、マスク45は、回折格子39で発生した0次回折光が通る開口部を有する。励起照明部4は、±1次の2光束による干渉縞と、0次と+1次の2光束による干渉縞と、0次と−1次の2光束による干渉縞とが合成された合成干渉縞を、照明領域に形成する。この合成干渉縞は、照明領域において、XY平面に平行な面内で光強度が周期的に変化するとともに、YZ平面に平行な面内においても光強度が周期的に変化する。
In the present embodiment, the
本実施形態において、変調画像に重畳される変調成分は、−2次変調成分、−1次変調成分、0次変調成分、+1次変調成分、+2次変調成分の5種類になる。制御部7は、例えば、回転駆動部42を制御して干渉縞の向きを複数(例えば3種類)に変化させ、干渉縞の各向きに対して、平行駆動部43を制御して干渉縞の位相を複数(例えば5種類)に変化させながら、各位相における変調像を撮像部5に撮像させる。復調部6は、複数(上記例では15枚)の変調画像を使って、5種類の変調成分を分離し、超解像画像を生成する。なお、復調演算には、"Super-Resolution Video Microscopy of Live Cells by Structured Illumination", Peter Kner, Bryant B. Chhun, Eric R. Griffis, Lukman Winoto, and Mats G. L. Gustafsson, NATURE METHODS Vol.6 NO.5, pp.339-342, (2009)に記載されている手法を用いることもできるが、この方法に限られない
In the present embodiment, there are five types of modulation components to be superimposed on the modulation image: a secondary modulation component, a −1st modulation component, a 0th modulation component, a + 1st modulation component, and a + 2nd modulation component. The
なお、本実施形態に係る構造化照明顕微鏡1は、マスク45において0次回折光が通る開口部を開閉可能にすることで、第1実施形態で説明した2D−SIMモードを実行することもできる。例えば、構造化照明顕微鏡1は、ユーザーの指令により2D−SIMモードと3D−SIMモードとを切り替え可能である。2D−SIMモードは、例えば、活性化照明部3の照明領域の厚みが閾値以下(例、1μm以下)の場合に選択される。3D−SIMモードは、例えば活性化照明部3の照明領域の厚みが閾値を超える場合に選択される。
The structured
なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態あるいは変形例に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態あるいは変形例で説明した要件の1つ以上は、省略されることがある。また、上記の実施形態あるいは変形例で説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、法令で許容される限りにおいて、上述の各実施形態及び変形例で引用した全ての文献の開示を援用して本文の記載の一部とする。 Note that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment or the modified example. For example, one or more of the requirements described in the above embodiments or modifications may be omitted. Further, the requirements described in the above embodiment or the modified examples can be appropriately combined. In addition, as far as permitted by law, the disclosure of all documents cited in each of the above-described embodiments and modified examples is incorporated into the description of the text.
1・・・構造化照明顕微鏡、2・・・ステージ、3・・・活性化照明部、
4・・・励起照明部、5・・・撮像部、6・・・復調部、7・・・制御部
S・・・試料、10・・・光源部、11・・・第1照明光学系
20・・・不活性化照明部、21・・・光源部、30・・・光源部
31・・・第2照明光学系、55・・・結像光学系
DESCRIPTION OF
4
Claims (20)
対物レンズを有し、前記第1方向と異なる第2方向から、前記蛍光物質を励起するための励起光を、前記対物レンズを介して干渉縞で前記試料に照射する第2照明光学系と、
前記干渉縞の方向および位相を制御する制御部と、
前記対物レンズを有し、前記干渉縞が照射された前記試料の像を形成する結像光学系と、
前記結像光学系が形成した前記像を撮像して画像を生成する撮像素子と、
前記撮像素子により生成された複数の前記画像を用いて、前記試料の画像を生成する復調部と、
を備え、
前記第2照明光学系は、
前記励起光を回折により複数の回折光に分岐する分岐部と、
前記複数の回折光のうち、+1次回折光または−1次回折光の通過状態と遮断状態とを切り替え可能な遮光部と、を備える
ことを特徴とする構造化照明顕微鏡。 A first illumination optical system that irradiates the sample with activation light for activating a fluorescent substance contained in the sample from a first direction;
A second illumination optical system having an objective lens, and irradiating the sample with excitation light for exciting the fluorescent substance from the second direction different from the first direction with interference fringes through the objective lens;
A control unit for controlling the direction and phase of the interference fringes,
An imaging optical system having the objective lens and forming an image of the sample irradiated with the interference fringes;
An imaging element that captures the image formed by the imaging optical system and generates an image;
Using a plurality of the images generated by the imaging device, a demodulation unit that generates an image of the sample,
Equipped with a,
The second illumination optical system includes:
A branch portion that branches the excitation light into a plurality of diffracted lights by diffraction,
A structured illumination microscope , comprising: a light-shielding portion capable of switching between a passing state and a blocking state of + 1st-order or -1st-order diffracted light among the plurality of diffracted lights .
ことを特徴とする請求項1に記載の構造化照明顕微鏡。 The structured illumination microscope according to claim 1, wherein the first illumination optical system irradiates the sheet with the activation light.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の構造化照明顕微鏡。 The structured illumination microscope according to claim 1, wherein the first illumination optical system includes a cylindrical lens.
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の構造化照明顕微鏡。 The said 1st illumination optical system scans the said activating light in the 3rd direction different from the said 1st direction and the said 2nd direction. The Claim 1 characterized by the above-mentioned. Structured illumination microscope as described.
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の構造化照明顕微鏡。 The structure according to any one of claims 1 to 4, further comprising a third illumination optical system configured to irradiate the sample with inactivating light for inactivating the fluorescent substance. Illumination microscope.
ことを特徴とする請求項5に記載の構造化照明顕微鏡。 The structured illumination microscope according to claim 5, wherein a wavelength of the excitation light is the same as a wavelength of the inactivation light.
前記第1方向から前記活性化光を照射させて、前記蛍光物質を活性化させ、
活性化された前記蛍光物質に、前記第2方向から前記励起光を照射し、
前記励起光を照射した後、前記不活性化光を前記試料に照射させる
ことを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の構造化照明顕微鏡。 The control unit includes:
Irradiating the activating light from the first direction to activate the fluorescent substance,
Irradiating the activated fluorescent substance with the excitation light from the second direction;
The structured illumination microscope according to claim 5, wherein the sample is irradiated with the inactivating light after the excitation light is irradiated.
ことを特徴とする請求項5から請求項7のいずれか1項に記載の構造化照明顕微鏡。 The structured illumination microscope according to any one of claims 5 to 7, wherein the third illumination optical system irradiates the sample with the inactivating light from a first direction.
ことを特徴とする請求項5から請求項7のいずれか1項に記載の構造化照明顕微鏡。 The structured illumination microscope according to any one of claims 5 to 7, wherein the third illumination optical system irradiates the sample with the inactivating light from a second direction.
ことを特徴とする請求項5から請求項9のいずれか1項に記載の構造化照明顕微鏡。 The structured illumination according to any one of claims 5 to 9, wherein an optical path of the first illumination optical system and an optical path of the third illumination optical system are at least partially common. microscope.
ことを特徴とする請求項5から請求項9のいずれか1項に記載の構造化照明顕微鏡。 The structured illumination according to any one of claims 5 to 9, wherein an optical path of the second illumination optical system and an optical path of the third illumination optical system are at least partially common. microscope.
ことを特徴とする請求項5から請求項11のいずれか一項に記載の構造化照明顕微鏡。 The structured illumination microscope according to any one of claims 5 to 11, wherein the intensity of the inactivating light is higher than the intensity of the excitation light.
前記絞り部材の開口幅は、前記第1照明光学系を前記不活性化光が通る際に、前記第1照明光学系を前記活性化光が通る際よりも大きく設定される
ことを特徴とする請求項5から請求項12のいずれか1項に記載の構造化照明顕微鏡。 The first illumination optical system includes an aperture member disposed at a position optically conjugate with the sample,
The aperture width of the aperture member is set to be larger when the deactivating light passes through the first illumination optical system than when the activation light passes through the first illumination optical system. A structured illumination microscope according to any one of claims 5 to 12.
ことを特徴とする請求項5から請求項13のいずれか一項に記載の構造化照明顕微鏡。 The structuring according to any one of claims 5 to 13, wherein the control unit stops the irradiation of the inactivating light when a detection value of the imaging element is equal to or less than a threshold. Illumination microscope.
ことを特徴とする請求項5から請求項13のいずれか一項に記載の構造化照明顕微鏡。 The said control part stops irradiation of the said inactivation light, when the amount of time change of the detection value of the said image pick-up element is below a threshold. The method as described in any one of Claim 5 to 13 characterized by the above-mentioned. Structured illumination microscope as described.
ことを特徴とする請求項1から請求項16のいずれか一項に記載の構造化照明顕微鏡。 Wherein, when the detected value of the image pickup element is not less than the threshold value, the structured illumination as claimed in any one of claims 16 claim 1, characterized in that stops irradiation of the activation light microscope.
ことを特徴とする請求項1から請求項16のいずれか一項に記載の構造化照明顕微鏡。 Wherein, when: the time variation of the detected value is the threshold value of the imaging device, according to claim claim 1, characterized in that stops irradiation of the activation light from the first illumination optical system The structured illumination microscope according to any one of Claims 16 to 16.
ことを特徴とする請求項1〜18のいずれか1項に記載の構造化照明顕微鏡。 The control unit sets the light blocking unit to the blocking state, and causes the imaging device to detect light from the sample while irradiating the activation light from the first illumination optical system. Item 19. The structured illumination microscope according to any one of items 1 to 18.
対物レンズを有する第2照明光学系によって、前記第1方向と異なる第2方向から、前記蛍光物質を励起するための励起光を、前記対物レンズを介して干渉縞で前記試料に照射することと、
前記干渉縞の方向および位相を制御することと、
前記対物レンズを有する結像光学系によって、前記干渉縞が照射された前記試料の像を形成することと、
前記像を撮像して画像を生成することと、
前記撮像により生成された複数の前記画像を用いて、前記試料の画像を生成することと、
前記第2照明光学系によって、前記励起光を回折により複数の回折光に分岐し、前記複数の回折光のうち、+1次回折光または−1次回折光の通過状態と遮断状態とを切り替えることと、
を含むことを特徴とする観察方法。 Irradiating the sample with activation light for activating a fluorescent substance contained in the sample from a first direction;
Irradiating the sample with excitation light for exciting the fluorescent substance from the second direction different from the first direction with interference fringes through the objective lens by a second illumination optical system having an objective lens; ,
Controlling the direction and phase of the interference fringes;
Forming an image of the sample irradiated with the interference fringes by an imaging optical system having the objective lens;
Capturing the image to generate an image;
Using the plurality of images generated by the imaging, to generate an image of the sample,
By the second illumination optical system, the excitation light is split into a plurality of diffracted lights by diffraction, and among the plurality of diffracted lights, switching between a passing state and a blocking state of a + 1st order diffracted light or a −1st order diffracted light;
An observation method comprising:
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